Entwärmung wird anspruchsvoller Low-Power ist kein Allheilmitttel für Embedded-Prozessoren

Trotz niedriger Abwärme bei modernen Embedded-Prozessoren ist das Thema Kühlung eine immer wichtigere Kernkompetenz der Embedded-Systems-Branche, denn die Kundenwünsche kommen mittlerweile an die physikalischen Grenzen.

Vor wenigen Jahren musste die Embedded-Branche x86-Prozessoren mit thermischen Verlustleitungen (TPD) von teilweise deutlich über 100 W pro Prozessor kühlen. Mit anspruchsvollen Lösungen wie Heatpipes wurde die Wärme dabei abgeführt. Mit dem aktuellen Trend hin zu ARM-Prozessoren sieht es für viele Anwender aus, als ob diese Problematik nun vom Tisch der Systemintegratoren wäre.

»Die Entwärmung ist trotzdem ein Thema. Man hat zwar weniger TDP, aber was neu hinzukommt, ist unter anderem der Kostendruck«, betont Christian Eder, Director Marketing von congatec. »Nutzt man einen Intel-Core-i7, der schon von Haus aus relativ teuer ist, dann fällt eine Heat-Pipe-Lösung nicht mehr so stark ins Gewicht. Bei einem Low-Cost-System mit ARM würde das Heat-Pipe-Thema sich hingegen in den Systemkosten relativ stark einbringen.«

Neben diesem wirtschaftlichen Aspekt kommen auch technische Hürden hinzu, die sich aus der Gerätegestaltung ergeben - speziell bei dünnen und tragbaren Embedded-Systemen im Tablet-Design. Hier sitzt der Prozessor oftmals dicht hinter dem Display. »Man muss aufpassen, dass die Wärme nicht auf das Display abgeleitet wird, sondern an die Rückwand«, betont Norbert Hauser, Executive Vice President Marketing von Kontron, »sonst geht die MTBF nach unten«. Jedes Grad weniger, das die Bauteile belastet, erhöht die Lebensdauer deutlich. Dies ist für die Industrie, die häufig ihre Geräte im Dauerbetrieb (24/7) einsetzen will, ein wichtiges Kriterium. Sporadisch eingesetzte Consumer-Produkte, die der Kunde dann noch aus Lifestyle-Gründen häufiger wechselt, haben es hier deutlich einfacher.

Ohne Zweifel strahlt die Erwartungshaltung der Consumer-Branche auch auf die Industrie aus: So wünschen die Kunden oftmals robuste und lüfterlose Geräte mit geschlossenen Kunststoffgehäusen für hohen Schutzklassen wie IP69. »Zwar ist die Wärmeentwicklung bei ARM nicht so kritisch, aber im Dauerbetrieb mit dem Isolator außen rum heizt es sich trotzdem auf«, betont Klaus Rottmayr, General Manager von ICP Deutschland. »Ob es nun 5 W oder 30 W sind, man muss das Thema immer im ganzen System überdenken und darf es nicht vernachlässigen.«

Der Einsatz von Bauteilen für den erweiterten Temperaturbereich bis +85°C oder höher ist dabei keine Lösung. »Der Anwender fasst ein Gerät mit über 40 Grad nicht an - was eigentlich nicht viel in der Industrie ist -, weil er es als unangenehm empfindet«, erklärt Christian Blersch, Geschäftsführer von E.E.P.D. »Ob der Prozessor eine geringe Wärmeabgabe hat oder nicht, wird dann irrelevant - auch dass der Prozessor 100°C verträgt. Die Wärme muss so reduziert sein, dass sie der Anwender nicht spürt, wenn er das Gerät in der Hand hat.«

Bei konventionellen Handhelds und Mobilrechnern aus dem Consumer- und IT-Bereich kann die Wärme über das Display abgestrahlt werden, was allerdings auf die Lebensdauer geht. Durch die moderne und von vielen Industriekunden gewünschte Multitouch-Bedienung käme der Industrieanwender allerdings wieder mit einer heißen Oberfläche in Kontakt. Es bleibt damit praktisch nur noch ein Gehäuselüfter zur Entwärmung übrig, der dann im Widerspruch zum Kundenwunsch nach einem komplett geschlossenen System steht.

»Wir haben schon diverse Dinge für Kunden untersucht, und es ist echt schwierig - manchmal muss man dem Kunden einfach sagen, dass es so nicht geht, wie er es möchte«, gesteht Blersch. »Was die Anwender bei Cosumer-Geräten wie dem iPad nicht so mitbekommen, ist, dass der Tablet-PC langsamer getaktet wird, wenn er zu warm geworden ist. Die Rechenleistung für einen Industriekunden kann man aber nicht ausbremsen.« Speziell Echtzeitsoftware ist empfindlich gegenüber dynamischen Taktschwankungen, da diese die Reaktionszeiten verändern.

Entwickler und Anwender müssen also genau wissen, was machbar und sinnvoll ist. Sie müssen auch über neue Materialien und Ansätze nachdenken, um effektiv und gleichzeitig preisgünstig zu bleiben. Der ARM-Prozessor eröffnet der Embedded-Branche und ihren Kunden mehr neue Möglichkeiten, als dass alte Probleme gelöst werden - das bislang aufgebaute Know-how, wie zur Entwärmung, bleibt weiterhin gefragt.